新型背腔式对数周期缝隙天线阵列设计*

杨晓艺，翟晓军，程馨莹，何凯凯

（武警工程大学装备工程学院，西安　710086）



新型背腔式对数周期缝隙天线阵列设计*

杨晓艺，翟晓军，程馨莹，何凯凯

（武警工程大学装备工程学院，西安710086）

摘要：介绍了一种新型背腔式对数周期缝隙天线单元，对其各参数特性进行了分析，并采用这种新型天线单元设计了9×7天线阵列。通过HFSS13进行天线阵列的设计。仿真结果表明，该天线阵列在1.5GHz～6GHz的工作带宽内，驻波比小于3，回波损耗小于-10dB，天线阵列最大增益为29.6dBi，在整个工作带宽内，增益均大于20dBi。具有良好的定向辐射能力，可用于UWB雷达、探测等领域。

关键词：超宽带，对数周期缝隙天线，天线阵列

0　引言

超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）技术具有传输速率高、抗多径干扰能力强、安全性高、系统串扰低、有利于多功能一体化等优点，在通信与雷达领域得到日益广泛的应用，成为近年来通信系统的研究热点［1］。2002年，美国FFC规定超宽带天线频段为3.1 GHz～10.6 GHz，超宽带技术引起国内外学术界的广泛关注［2-4］。在超宽带系统中，对于系统中天线的设计要求相当严苛［5］。超宽带通信系统不仅要求天线具有很小的体积、较宽的带宽、良好的辐射效率和全向覆盖特性，还要具备较好的信号保真度。超宽带天线作为重要的收发设备，扮演着不可替代的作用。

许多超宽带天线虽具有较大的阻抗带宽和良好的辐射方向图，却由于其增益较低、定向性较差无法实现有效应用，因此，提高超宽带天线的增益，改善天线的方向图特性已成为超宽带技术的研究热点之一。

基于以上需求，本文分析了一种采用新型谐振腔的对数周期缝隙天线［6］。并以其作为阵列单元，设计了一种9×7阵列天线，通过在阵中优化参数使单个天线单元在工作带宽1.5 GHz～6 GHz频带内拥有良好的驻波特性。采用一个5级1分3微带宽带威尔金森功分器馈电。天线阵列在1.5 GHz～6 GHz频带范围内不但满足驻波比小于3，回波损耗小于-10 dB，最大增益为29.6 dBi，并且表现出优良的定向辐射特性。

1　天线单元仿真与分析

文献［6］提出了一种采用新型背腔的对数周期缝隙天线。通过HFSS13.0软件的仿真，其天线单元模型如图1。这种新型谐振腔的对数周期缝隙天线，工作频段为0.9 GHz～5 GHz，工作频率相对较低，更适于远程通信。为了使腔体在整个带宽内谐振，改善低频的阻抗匹配特性，尽量减小增益损失，固定了一块尺寸经过优化的L型的电阻吸波材料在低频缝隙的下侧。同时，由于缝隙天线中心缝隙较小而谐振波长较短，因而在谐振腔的底部中心设置一个阶梯，从而使谐振腔深度相对较小。新型谐振腔以及吸波材料的应用使得天线可以最低工作在0.9 GHz，且具有良好的定向辐射性能，也提高了天线的增益［6］。该天线具有的这些优点使其更适于应用在超宽带探测和军事领域。天线单元尺寸为95 mm×95 mm×19 mm。

图1　天线单元结构

图2给出了天线单元的驻波特性。由图2可以看出天线驻波比小于3的工作频带为1.442GHz～6GHz。图3给出了增益随频率变化曲线。由图3可以看出天线在整个工作频段内的平均增益约为6 dBi，最高增益可达9 dBi，天线增益很理想。这种新型背腔结构大大改进了天线的特性，使得天线具有良好的远距离通信能力。

图2　天线单元驻波特性

图3　天线单元增益随频率变化曲线

2　天线阵列设计与仿真

为进一步提高天线增益，在上述天线单元的基础上，采用一个5级1分3微带宽带威尔金森功分器构成馈电层，并设计了天线阵列。馈电层选用介电常数为2.2，厚度为1 mm的介质板设计而成，尺寸为107.515 mm×25 mm。1分3功分器的HFSS仿真模型图如图4所示。

图4　功分器HFSS模型

以新型背腔式对数周期缝隙天线作为阵列单元的天线阵列结构如图5所示。在限制工作带宽的前提下，增益的提高非常有限。为了保证天线工作带宽，阵列单元尺寸与文献［6］中保持一致，天线单元尺寸为95 mm×95 mm×19 mm。其驻波特性不变，仍然工作在1.5 GHz～6 GHz。通过HFSS 13.0软件进行仿真和优化，最终确定阵列形式为阵元在X方向和Y方向间隔100 mm均匀放置，且等幅同相激励。沿着X方向放置9个阵元，沿着Y方向放置7个阵元，组成9×7阵列。

图5　阵列结构

下页图6中的天线阵列在1.5 GHz～2.65 GHz的工作频带内，驻波比小于3；在2.65 GHz～6 GHz的工作频带内，驻波比小于2。与图2相比，天线阵列的驻波比降低，减小了馈线的损耗，从而提高了馈线向天线的输入功率，增大了天线的辐射功率。

下页图7所示为天线阵列的增益。与图3相比，在整个工作带宽内，天线增益均大于20 dBi，天线增益随频率逐渐增大，高于传统天线阵列的最大增益。由于吸波材料，天线在1.8 GHz～2.1 GHz与4.5 GHz～4.7 GHz频段效率较低，反映在增益曲线上即在这两个频段内曲线下凹，最小值约为20.5 dBi。天线的增益随频率逐渐增大，在5 GHz～5.5 GHz可以达到29 dBi，最大增益为29.6 dBi，天线增益大大提高，也使得天线具有良好的远距离通信能力。

图6　天线阵列驻波特性

图7　天线阵列的增益随频率的变化曲线

图8为天线阵列的仿真方向图。对比各频点方向图发现，在整个频带内天线阵列具有良好的定向辐射能力且方向图一致性良好。由图8（d）可以看出4.5GHz时天线的增益相对其他频点较低，这是由于谐振腔内部吸波材料有消耗，使得该频段天线效率下降。

3　结论

本文介绍并分析了一种采用新型谐振腔的对数周期缝隙天线，并以其作为阵列单元，设计了一种9×7天线阵列。设计的天线阵列在1.5 GHz～6 GHz的工作带宽内，不仅保持了天线单元的特性，还使得天线阵列增益大大提高，定向性良好，满足了实际应用的需要，因此，该阵列天线可实现良好的远距离通信能力和探测能力。由此表明该天线阵列具有带宽宽、增益高、定向辐射良好及方向图一致性的优点，使其适于应用在定位、探测、超宽带雷达和超宽带远程通信领域。

图8　天线阵列各频点的方向图

参考文献：

［1］FONTANA R J. Recent system applications of short-pulse ultra-wideband（UWB）technology［J］.IEEE Trans. MTT，2004，52（9）：2087-2104.

［2］REN Y J，CHANG K. An annual ring antenna for UWB communications［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2006，5（5）：274-276.

［3］CHEN Y L，RUAN C L，PENG L.A novel ultra-wide-band bow-tie slot antenna in wireless communication systems［J］. Progress In Electromagnetics Research Letters，2008，1（5）：101-108.

［4］张文梅，陈雪，韩国瑞，等.平面超宽带天线的设计与研究［J］.电波科学学报，2008，23（2）：335-339.

［5］王新稳，李平，李延平.微波技术与天线［M］.北京.电子工业出版社，2008：143-144.

［6］刘英，王伟，陈玉东，等.采用新型背腔的对数周期缝隙天线［J］.电波科学学报，2014，29（2）：232-236.

Design of Log- periodic Slot Antenna Array with Novel Cavity

YANG Xiao-yi，ZHAI Xiao-jun，CHENG Xin-ying，HE Kai-kai
（School of Equipment Engineering，Engineering College of the Armed Police Forces，Xi’an 710086，China）

Abstract：A Log-periodic Slot Antenna with novel cavity is introduced，various parameters are analyzed. A 9×7 log-periodic slot antenna array based on this novel element.Antenna array is designed by HFSS13.The simulated result shows that the antenna array operates in 1.5 GHz～6 GHz.Within the band，return loss is below 3，VSWR is below -10 dB，the antenna gain is upper than 20 dBi and the maxim gain is 29.6 dBi.The antenna array has good unidirectional radiation patterns，which makes the antenna array suitable for the application in UWB radar and detection.

Key words：UWB，log-periodic slot antenna，antenna array

中图分类号：TN82

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）05-0134-03

收稿日期：2015-09-05修回日期：2015-10-17

*基金项目：武警部队装备科研基金资助项目（WK2014-Y6）

作者简介：杨晓艺（1992-），女，四川江油人，硕士研究生。研究方向：军事装备学，超宽带天线。